Хабр Курсы для всех
РЕКЛАМА
Практикум, Хекслет, SkyPro, авторские курсы — собрали всех и попросили скидки. Осталось выбрать!
Поток Научпоп доступен 24/7 благодаря поддержке друзей Хабра
Комментарии 25
Воспоминание разблокировано: неприятно, когда в тебя попадает молнией в полете.
При попадании молнии в дерево человек, стоящий под ним, испытает гораздо более незабываемые ощущения вовсе не от пара или огня, а от шагового напряжения минимум в несколько сотен вольт, приложенного между его ногами (а если еще и дождь...). Именно это шаговое напряжение убивает футболистов при попадании молнии в футбольное поле. А еще опаснее оно для коровок с гораздо большей длиной шага, чем у человека. Поэтому, если уж попали в грозу, так или иначе минимизируйте длину шага (аналогично выходу из опасной зоны при внезапно упавшем проводе под напряжением до срабатывания защиты). Все таки прямое попадание молнии в человека - редкое событие.
Как убивает шаговое напряжение, если оно не задевает важные органы? Только если человек уже лежал. Это возможно рядом с упавшим проводом, свело ноги, упал и остановилось сердце. Молния же кратковременно действует, к сожалению самый короткий путь через голову и сердце. Вот пример похожий на попадание под шаговое напряжение:
В Перу в том же регионе во время полуфинального матча Кубка молния чуть не погубила троих футболистов. Шел сильный дождь, но игру прервала гроза, а больше всех досталось 21-летнему Жоао Контрерасу, причем один из аккаунтов в твиттере даже написал о смерти фуболиста.
Но Контрерас выжил. Его срочно доставили в больницу, поначалу он не чувствовал ног, но вскоре восстановился и даже не получил никаких травм. Более того, он уже был рядом с командой, когда игру возобновили через несколько дней. Его случай спасения – один на миллион, это Контрерас услышал от врача, потому что обычно при таких попаданиях люди не выживали.
Все это справделиво для идущего/бегущего человека в момент близкого удара молнии. Но подразумевался человек, стоящий под деревом. Хотя, если ноги не стоят вплотную друг к другу, а так же если не находятся на эквипотенциальной кривой относительно точки удара молнии (дерева), то да, шаговое напряжение будет иметь место и в этом случае.
если тереть стекло о стекло — то ничего не выйдет
мелких кристаллов льда и частиц снежной крупы — граупеля
но ведь это одно и то же вещество, даже почти в одном агрегатном состоянии. Там отличия в электронном строении - минимальные. И как быть с атмосферами других планет, где совсем другие условия? Тоже между разными модификациями какого-нибудь твердого аммиака на юпитере?
Разница в заряде возникает не из-за разного строения молекул, а из-за разницы в температуре, скорости и микроструктуре поверхности частиц при их столкновении (термоэлектрический эффект).
Мелкий кристаллик льда — это очень холодная (может быть до -40°C), маленькая частица, которую мощный восходящий поток несёт вверх. Он слишком мал и легок, чтобы эффективно собирать капли воды.
Граупель, падающий вниз — активно растущая частица, которая, находясь в зоне переохлаждённых капель воды, собирает их на своей поверхности. За счет скрытой теплоты кристаллизации воды граупель относительно «тёплый» (в условиях облака, около -15°C).
Дополнительным фактором является большая теплоемкость граупеля (за счет массы) и, наоборот, меньшая его теплопроводность за счет относительно рыхлой структуры. Учитывая так же большее соотношение объем/площадь у граупеля (за счет большего размера), нежели у льда, становится понятным, что температура граупеля будет выше даже вне зоны переохлажденных капель воды.
Что в граупеле, что в ледяных частицах носителями заряда являются протоны (ионы H⁺) и ионы гидроксония (H₃O⁺). Их подвижность, естественно, зависит от температуры. При столкновении частиц ионы из более тёплой зоны (со стороны граупеля) быстрее перемещаются к холодной зоне (к кристаллу льда), чем наоборот, как бы следуя за кратковременным тепловым потоком.
В результате более холодный кристалл получает избыток положительных ионов (протонов) и заряжается положительно, а более тёплый граупель, потерявший их, заряжается отрицательно.
Теперь, конечно, возникнет вопрос, откуда изначально взялись ионы. Чистая кристаллическая решетка льда (будь то монокристалл льда или отдельные кристаллики в граупеле) — диэлектрик, ионов в нем ничтожно мало. Но даже при температуре ниже 0°C на поверхности льда существует тончайший (в нанометры) переходный слой воды с нарушенной структурой — квазижидкий слой. Его свойства — нечто среднее между жидкостью и твёрдым телом. В этом слое диссоциация молекул воды (H₂O ⇌ H⁺ + OH⁻) происходит намного легче, чем в объёме идеального кристалла.
Таким образом, при соударении двух частиц льда и граупеля происходит контакт и смешение их квазижидких слоёв. За счет разной температуры слоёв, ионы начинают перемещаться от тёплого участка к холодному (явление, аналогичное эффекту Людвига — Соре).
Вот тут мы и подходим к области, которая для науки пока не совсем ясна — за счет чего в квазижидком слое происходит диссоциация молекул воды. По-видимому, тут играет роль то, что кристаллы льда и граупель образуются не сами по себе, а на ядрах конденсации (пылинки, соли, продукты горения). А ведь эти ядра — есть не что иное как примеси в кристалле льда, которые приводят к дислокациям в кристаллической решетке. Последние могут служить донорами или ловушками для ионов H⁺. На границе раздела лёд-воздух или лёд-вода структура нарушена, и ионы там могут существовать.
Более того, частицы могут нести заряд изначально, полученный при образовании. Космические лучи, радиоактивность горных пород и радона постоянно создают в атмосфере лёгкие ионы (H⁺, OH⁻, заряженные молекулы). На такие ионы водяному пару легче сконденсироваться в лёд. Таким образом, кристалл с момента рождения может иметь небольшой избыточный заряд-затравку.
Более того, в облаке может играть роль и эффект Ленарда.
Если мы уж не все знаем о земной грозе, то что говорить о грозах на других планетах.
Правда, как раз с Юпитером в этом деле более-менее понятный механизм, так как вода в его атмосфере есть, хотя версий несколько. Вот одна из них: штормы поднимают воду высоко в атмосферу, где она превращается в частички льда. На высоте лед смешивается с газообразным аммиаком, который плавит его. Жидкая смесь из воды и аммиака постепенно опускается вниз и превращается в градины, которые сталкиваются с новыми кристаллами льда. При каждом столкновении происходит электризация, и возникают условия для образования молний.
А вот в атмосфере Венеры воды практически нет, и как там происходят грозы - вопрос в целом открытый.
Заземленный торчащий острый штырь создает локальное искажение поля и, за счет коронного разряда, может нейтрализовать часть заряда в пространстве над собой, снижая вероятность удара. Или, если говорить совсем по-простому, «приподнимает» с точки зрения электрического поля поверхность земли над защищающем зданием, почти как в примере с человеком в лесу. И здание, опора ЛЭП и пр. как бы исчезают для молнии из поля зрения, скрываясь под "зонтиком" молниеотвода.
"Зонтик" для одиночного штыревого молниеотвода представляет собой боковую поверхность кругового конуса с основанием в вершине штыря. Для невысоких объектов, находящихся у земли, радиус конуса равен 1,5 высоты (на самом деле образующая конуса является ломаной.
Для горизонтального троса (молниеотвод двускатных крыш гражданского строительства) "зонтиком" будет в грубом приближении такая же двускатная поверхность с пропорциями приблизительно как для одиночного штыря.
Точным расчетом молниезащиты в проектировании занимаются специалисты, часть проекта так и зовется - молниезащита (МЗ) либо выполняется совместно с заземлением и/или в разделы электрооборудования, электроосвещения.
Для самого жесткого класса защиты класса I : Imin = 3 кА, Imax = 200 кА - вероятность перехвата молнии под тем самым защитным конусом = 98%
Т.е. в 2% ударов все равно может убить даже под громоотводом.
Но и вероятность попадания молнии соответствующей энергии, достаточной для преодоления защиты, именно в данную координату, довольно мала, и ее умножаем на 0.02 и спим спокойно дальше ;)
Если спится по прежнему тревожно, то делаем МЗ как для 1-й категории (взрывоопасная среда внутри штатно)
РД 34.21.122-87 хоть и старый, но написан довольно интересно и доступно
Или ходим в таком костюме из железной сетки )
https://protvino-licey.ru/wp-content/images/51/rasstoyanie-lp-330-D019.jpg
Вот сегодня в Бразилии попало в людей рядом с высоким фонарным столбом. Прямо наверняка с отличным заземлением.
И это не первое видео когда в людей попадает рядом с заземленными столбами.
Так что 2% это очень большая вероятность.
Несмотря на обилие различных механизмов электризации, сейчас большинство ученых считают главным обмен зарядами при столкновениях мелких кристаллов льда и частиц снежной крупы — граупеля.
То есть по всем континентам опросили всех, кто согласился, чтобы их называли учеными. Их ответы сгруппировали по концепциям механизмов электризации, из нескольких сотен концепций топ-концепция набрала 5% опрошенных "ученых". Эта концепция и есть приведенная вами - "сейчас большинство ученых считают главным обмен зарядами при столкновениях мелких кристаллов льда и частиц снежной крупы — граупеля."
Зарядите еще один опрос, plz, пусть это сборище шаманов пояснит механизм электризации в облаке извержения вулкана. Подозреваю, что граупеля там нет вовсе.
Читайте граничные условия. Речь о грозе на Земле. Не на другой планете и, даже, не при извержении вулкана.
Полагаете что механизмы электризации при грозе и при извержении вулкана разные?
Да, механизм электризации в грозовом облаке и при извержении разный. Вернее, в последнем случае есть даже несколько механизмов, действующих на разной высоте. Основной из них - электризация трением частиц пепла, частиц магмы и газов. Кстати, возможно, на Венере грозы происходят как раз или за счет вулканизма, или за счет того же эффекта от поднятых ветром частиц пыли с поверхности.
Отрицательный заряд сосредоточен внизу — значит, его носители относительно тяжелы и опускаются под действием силы тяжести. Положительный заряд — наверху, а значит, его носители легки и увлекаются восходящим потоком.
Почему именно так, а не наоборот?
При столкновении лед приобретает положительный заряд, а граупель — отрицательный
Почему?
Смотрите ответ выше.
Я не очень согласен с приведенной статистикой, в интернете я нашел 24000 человек в год от прямого удара или электрического удара. При этом у меня есть статистика смертности от молнии на широтах близких к экватору, порядка 400 человек в год. Тропики и экваториальные широты в этом отношении самые опасные. А вот проблем удары молнии в городе создают неумеренно. В прошлом сгорали модемы постоянно, выгорали каналы в аналоговых видеорегистраторах, массовое выбивание предохранителей в щитках даже при относительно далёком ударе в районе 500-1000 метров. На моем опыте молния ударила в железные ворота, трансформатор 12вольт от контроллера мотора взорвался так что вырвало крышку PVC бокса, в котором он находился. Под замену ушел даже мотор привода ворот, тот просто перегорел без визуальных эффектов. Материальные убытки достаточно большие. Кто-то подсчитал на 300 млн долларов, но все случаи не задокументируешь, в отличии от людишек. Подозреваю что больше.
Сам видел вставшие волосы от статики у моей жены на крыше небоскреба перед грозой (забавная картинка), и в меня чуть не попала молния один раз когда я от дождя убегал по мосту.
Я подозреваю что до людей начали доходить возможные риски от удара молнией, сейчас все кто на открытой местности или на высоте прячутся в подходящкс укрытии. ТБ рулит.
Зато на экваторе никогда не видели шаровых молний. Когда рассказывал местным про такое чудо то реакция была между "о, а я про это читал, но такого здесь не наблюдали" до "да ты гонишь, нет такого".
Поиск такое выдал:
По оценкам Всемирной метеорологической организации (WMO), ежегодно от удара молнии погибают свыше 2 тысяч человек, ещё до 24 тысяч получают ранения.
Всего в мире умирает 63 млн. человек в год, в основном от болезней сердца и сосудов. На молнии приходится 0,003% Можно игнорировать это в общем случае.
В средней полосе грозы много более редки, чем на экваторе. Тем не менее, в частном доме из-за далекого попадания молнии раз у меня выходила из строя телефонная линия (метров 10 "лапши" сплавились, при этом, что удивительно, аппарат не пострадал. В другой раз аппарат таки сгорел, а проскочившая искра от него спалила рядом стоящий термостат отопления. В третий раз вышел из строя блок питания. Так что да, в мировом масштабе ущерб от гроз явно существенный.
Молнии, джеты (струи), спрайты с эльфами — сколько разновидностей атмосферных электрических разрядов!
Кстати с МКС был мощный спрайт видимо снят, по околокосмическим ресурсам видео пролетало, очень красивое зрелище, можно видео поискать.
https://smartpress.by/upload/iblock/55e/ql77h6mjuq4fameuph74guvq5nakyfu4/apro.jpg
Зарегистрируйтесь на Хабре, чтобы оставить комментарий
Физика грозы: от заряда в облаке до защиты на земле. Сложное явление простыми словами